MEMS在控制系统中的应用

微机电系统(MEMS)是一个新兴的跨学科研究领域，借助于MEMS可以实现微观对象的检测与控制以及宏观对象的分布式检测与控制。综述了基于MEMS的主动控制和传感器网络在控制系统中的应用。     

梁式自适应结构主动控制模型及实验研究

为提高结构对外部环境的抗干扰能力 ,构造了梁式自适应结构 ,并对其主动控制进行了研究。由传感器、作动器与梁主体结构组成梁式自适应结构。基于压电材料的本构关系 ,建立了传感方程和作动方程。根据有限元方法和现代控制理论 ,建立了梁式自适应结构的动力学方程和系统的状态方程。采用最优控制理论 (L QR) ,进行了控制器设计。建立了梁式自适应结构主动控制实验系统 ,并对这类自适应结构的动力学行为及主动控制进行了实验。实验研究结果表明梁式自适应结构能够改善结构的动力学特性 ,对外界干扰具有良好的自适应性     

微驱动器及其驱动原理

微机电系统(MEMS)是20世纪80年代在微电子技术的基础上兴起的一门应用技术。其中,微驱动器是微机电系统的重要组成部分。主要介绍了电磁驱动、静电驱动、压电驱动、形状记忆合金(SMA)驱动及热驱动等,介绍了它们各自的优缺点及其应用,对其应用前景进行了简要分析。     

基于MEMS压力传感器的微小型空速计

针对微型飞行器体积小、质量轻、能量和带载荷能力有限的特点,设计了微型空速计,包括微小型皮托管和基于微机电系统(MEMS)微差压传感器的低速测量电路,通过机载计算机测量电压信号并计算空速值。该空速计量程为3~26m/s,质量为4.3g,精度±1m/s,已经通过国家气象局计量站进行的测试。目前已成功应用在翼展小于400mm微型飞行器的空速测量上。     

煤层瓦斯含量拟合装备的设计

煤层瓦斯含量预测中需要对样煤的瓦斯含量进行测试分析。样煤瓦斯解吸速率随时间延长逐渐降低,所以需要采用一种极低压损的气体流量传感器进行测试。为适应这一需求,仪表设计采用了微机电系统(MEMS)流量传感器FS4001,通过混合信号处理器12位A/D转换实现气体流量采集,再根据样煤瓦斯解吸速率随时间变化的幂函数关系,自动拟合推导出自然状态下样煤解吸的瓦斯总量。该仪表实现了数据采集、多组存储、时间设定、解吸速率曲线显示、总量逻辑推导、损失量拟合等多项功能,在微气体测量领域有很好的应用前景。     

热驱动薄膜式微型泵

微型泵在化学分析、环境监测和药物传送等领域有广阔应用前景。为了解热驱动薄膜式微型泵的性能 ,对泵的主要部件进行了理论分析 ,然后对泵的整体性能进行了数值模拟。得到了微型泵的频率特性 ,流量 -压头曲线及流量随功率的变化。发现泵的流量在 3 .3 3 Hz左右达到最大 ,泵的零流量压头为 64 k Pa左右 ;由于预应力的作用 ,使输入功率低时泵的流量比没有预应力时显著减小 ,而当输入功率较大时 ,泵的流量随输入功率增大而迅速增大。实验测定了微型泵流量的频率特性和随功率的变化 ,实测结果与模拟结果基本吻合     

广义系统的可靠最优调节器设计

在实践应用过程中,控制元件(包括执行器或传感器)的失效往往会造成系统不稳定或性能指标难以达到·因此研究如何利用仅存的有效控制元件来实现控制目标十分必要·由此"可靠控制"应运而生,即无论特定集合中的某些控制元器件失效与否,都要求所设计的控制器能保证系统的稳定性和各项性能指标的实现·针对执行器失效的线性广义系统,给出可靠最优调节器设计方法,所设计的状态反馈控制器能够使执行器故障系统具有正则、渐近稳定、无脉冲,且此时的二次性能指标小于正常情况下的二次性能指标·     

传感器/执行器失效的电动汽车EPS鲁棒容错控制

针对电动汽车电动助力转向(EPS)系统同时存在参数不确定性、传感器故障和执行器故障的情况,建立了EPS系统的动力学模型。设计了系统的鲁棒容错控制器。设计的控制器既保证系统在传感器和执行器正常工作及发生故障时闭环系统的完整性,又保证系统在参数不确定性下的鲁棒稳定性。对EPS系统进行容错控制,针对传感器和执行器的不同故障隶属度情况进行了仿真比较。仿真结果表明了该方法的有效性,进一步完善了EPS系统的可靠性和鲁棒性。     

用PVDF传感器测量梁的振动功率流

研究了在远场条件下 ,用PVDF传感器测量梁结构的振动功率流 用传统的加速度传感器测量振动功率流时 ,不可避免地产生有限差分误差 ,而PVDF薄膜是一种新型压电高分子材料 ,根据其积分特性 ,在理论上设计出两种形状的PVDF传感器 ,用它们测量功率流 ,结果中不会出现有限差分误差 通过试验验证了PVDF传感器测量梁结构振动功率流是可行的 试验结果表明 :PVDF传感器不仅可以精确地测量功率流 ,而且还能够直接得到测量点的位移 (速度或加速度 )、弯矩和剪力     

MEMS biomedical implants

The field of micro-electro-mechanical systems(MEMS) has advanced tremendously for the last 20 years.Most commercially noticeably,the field has successfully advanced from pressure sensors to micro physical sensors,such as accelerometers and gyros,for handheld electronics application.In parallel,MEMS has also advanced into micro total analysis system(TAS) and/or lab-on-a-chip applications.This article would discuss a relatively new but promising future direction towards MEMS biomedical implants.Specifically,Parylene C has been explored to be used as a good MEMS implant material and will be discussed in detail.Demonstrated implant devices,such as retinal and spinal cord implants,are presented in this article.     

MEMS sensor technology

Since 1992 the author has led research group in Xi’an Jiaotong University to investigate and develop micro-electro mechanical systems(MEMS) sensors,including pressure sensor,acceleration sensor,gas sensor,viscosity & density sensor,polymerase chain reaction(PCR) chip and integrated sensor etc.This paper introduces the technologies and research results related to MEMS sensors we achieved in the last 20 years.     

多级双极性等离子体激励器加速气流的实验研究

等离子体激励器是一种新型的流动控制手段,通过其产生的等离子体加速气流,从而实现对流动的控制．然而,单一等离子体激励器因其加速气流的效果受到自身流向长度的限制,其应用范围通常被局限在小尺度的物体上．目前采用的解决方法是将多个传统等离子体激励器并联成一组,形成多级激励器,然而前后电极的相互干扰大大降低了这种多级激励器的工作效率．本文提出了一种新型等离子体激励器的串联方案,也就是将多级激励器中前一级的下电极都与后一级的上电极相连,形成一种新型多级双极性等离子体激励器．粒子示踪测速系统（PIV）对该激励器加速气流的实验结果表明,这种新型多级激励器能够消除前后电极之间的相互干扰,大大提高多级等离子体激励器加速气流的效率．     

基于导星电子星图模拟器的卫星控制系统半物理试验方法

为了实现卫星的高精度高稳定度控制,中法天文卫星建立了卫星姿轨控半物理仿真试验系统.对该系统采用导星电子星图模拟器引入仿真闭环进行研究.首先,将导星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学为其提供输入信息.接着,高精度测量单机和高精度控制机构引入到闭环中.然后,粗测量敏感器和粗控执行机构由数学模型替代.最后,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、载荷计算机和整星电源系统组成了实时仿真验证系统.实验结果表明:在地面半物理条件下,可以达到导星进入开小窗条件,y、z轴稳定度达到2(″)/10 s及5(″)/100 s.导星敏感器可以提高姿态测量精度和姿态控制的稳定度.满足控制稳定度在亚角秒级别卫星的要求.     

国际上微型飞行器研究的进展及其关键技术

微型飞行器（MAV）是MEMS传感器和驱动器技术发展的必然产物,同时也是当今先进国家竞相研究的科技前沿课题。该文综述了世界各国对微型飞行器在固定翼、旋翼、扑翼以及微型动力系统方面的研究进展,指出了MAV研究的几项关键技术,并结合我国实际,提出了我国研究MAV的建议。     

Applications of MEMS devices in nanosatellite

micro-electro-mechanical system(MEMS) device has the advantages of both electronic system and mechanical system.With the development of MEMS devices for satellite,it is possible to establish much lighter and smaller nanosatellites with higher performance and longer lifecycle.The power consumption of MEMS devices is usually much lower than that of traditional devices,which will greatly reduce the consumption of power.For its small size and simple architecture,MEMS devices can be easily integrated together and achieve redundancy.Launched on April 18,2004,NS-1 is a nanosatellite for science exploration and MEMS devices test.A mass of science data and images were acquired during its running.NS-1 weights less than 25 kg.It consists of several MEMS devices,including one miniature inertial measurement unit(MIMU),three micro complementary metal oxide semiconductor(CMOS)cameras,one sun sensor,three momentum wheels,and one micro magnetic sensor.By applying micro components based on MEMS technology,NS-1 has made success in the experiments of integrative design,manufacture,and MEMS devices integration.In this paper,some MEMS devices for nanosatellite and picosatellite are introduced,which have been tested on NS-1 nanosatellite or on the ground.     

基于MEMS的细长体非对称涡控制机理研究

目前,微机电系统（MEMS）作为致动器和传感器已被广泛应用于航空航天领域中。MEMS器件具有很好的功能性、集成性、可控性和鲁棒性等等。根据MEMS器件的特性,采用NS数值计算技术,对细长体在大迎角飞行状态下的非对称涡进行了气动控制。分析了MEMS器件控制流场的机理和将非对称涡转变为对称涡的流场控制机理,获得了MEMS器件控制流场特性的宏观效果。研究表明：MEMS器件对控制大迎角细长旋成体非对称涡和复杂流场具有良好的控制能力。     

纳米复合聚酰亚胺基DBD等离子体气动激励器研究

等离子体流动控制技术具有响应快、频带宽、结构简单等优点,具有显著技术优势。介质阻挡放电(DBD)等离子体气动激励器是研究最为广泛的激励器形式,但是国际上鲜有研究关注其介质材料的寿命,这严重制约了等离子体流动控制技术的发展和应用。为解决这一问题,进行了聚酰亚(PI)/纳米复合聚酰亚胺基等离子体气动激励器实验研究。实验结果表明,纳米复合结构有利于提高激励器的导热性能,其放电区域最高温度与传统激励器相比,降低了10%~20%;发现了纳米复合聚酰亚胺基激励器的高温点自愈现象;纳米结构激励器抑制了结构损伤,从而阻止了放电功率和表面温度的快速增加;普通聚酰亚胺表面在放电老化后,形成大量孔洞、沟槽以及烧蚀痕迹,纳米复合聚酰亚胺在老化后表面出现大量的白色球形纳米粒子团簇,减轻了绝缘材料受到的侵蚀与破坏。     

柔性结构振动主动控制中传感器/执行器位置优化研究

从二维柔性板的状态空间表达式出发 ,采用一种基于能量的传感器 /执行器的最优配置策略。使用该准则可以很自然地研究整个动态模型的可控性和可观性 ,进而确定传感器和执行器的位置。实例中的针对柔性板的数值仿真过程表明了该准则的有效性     

基于小波去噪的MEMS陀螺仪随机误差校准算法

微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)陀螺仪具有体积小、成本低、功耗低等特点,在微姿态测量系统中应用极其广泛。由于在制作工艺、材料等方面会引入额外的随机噪声,且瞬态电压的不稳定也会造成MEMS陀螺仪在上电阶段产生随机波动误差,严重影响微姿态测量系统的启动时间和测量精度。因此,基于多分辨分析特性的小波变换分析技术,提出了一种改进的小波去噪算法,通过对MEMS陀螺仪的数据进行3层小波分解,剔除高频分量和电压不稳定产生的突变信号,并对低频分量进行重构,最终得到校准以后的陀螺仪数据,实现陀螺仪随机误差的快速校准。实验验证结果表明,通过3层小波分解后,随机误差均值小于0.05 °/s,系统启动时间小于0.1 s,具有较好的噪声抑制和迅速启动能力。     

一种以SU-8为流道材料的集成微流体

根据微流量传感器测热式原理,利用Comsol多物理场模拟仿真软件,对微流量传感器进行模拟仿真,分析了流量传感器的关键参数对其灵敏性的影响.在此基础上,设计了一种集成在微流体管道内的微流量传感器.以离子束刻蚀方法制作微电极,SU 8负光刻胶直接制作流道,将该负光刻胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行键合封装.最后,对该微流量传感器进行了流速测试.